JP7204828B2 - Controlling reverse current in switch-mode power supplies to achieve zero-voltage switching - Google Patents
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Description
本開示は、ゼロ電圧スイッチングを達成するためにスイッチモード電源における逆電流を制御することに関する。 The present disclosure relates to controlling reverse current in switch mode power supplies to achieve zero voltage switching.
この段落は、必ずしも従来技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。 This paragraph provides background information related to the present disclosure that is not necessarily prior art.
電源は、一般に、入力電流および電圧を出力電流および電圧に変換するための1つまたは複数の電力変換器段を含む。電力変換器段は、例えば、マルチレベルLLC電力変換器またはインターリーブ共振バス電力変換器などの共振電力変換器を含むことができる。電力変換器段のスイッチは、固定または可変のスイッチング周波数またはデューティサイクルで制御され、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)を達成することができる。 Power supplies generally include one or more power converter stages for converting input currents and voltages to output currents and voltages. A power converter stage may include, for example, a resonant power converter such as a multi-level LLC power converter or an interleaved resonant bus power converter. The power converter stage switches can be controlled with a fixed or variable switching frequency or duty cycle to achieve zero voltage switching (ZVS).
この段落は、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。 This paragraph provides a general overview of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features.
本開示の一態様によれば、スイッチモード電源(SMPS)は、マルチレベル降圧電力変換器と、共振電力変換器と、制御回路とを含む。マルチレベル降圧電力変換器は、入力と、出力と、入力と出力との間にそれぞれ連結された第1の降圧回路および第2の降圧回路とを含む。第1の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含み、第2の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含む。共振電力変換器は、マルチレベル降圧電力変換器の出力に連結される。制御回路は、第1の降圧回路および第2の降圧回路に連結される。制御回路は、第1の降圧回路の電源スイッチ用の第1の制御信号および第2の降圧回路の電源スイッチ用の第2の制御信号を生成して、マルチレベル降圧電力変換器を制御するように構成される。 According to one aspect of the disclosure, a switched mode power supply (SMPS) includes a multi-level step-down power converter, a resonant power converter, and a control circuit. The multi-level step-down power converter includes an input, an output, a first step-down circuit and a second step-down circuit respectively coupled between the input and the output. A first step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor, and a second step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor. A resonant power converter is coupled to the output of the multi-level step-down power converter. A control circuit is coupled to the first step-down circuit and the second step-down circuit. The control circuit generates a first control signal for the power switch of the first buck circuit and a second control signal for the power switch of the second buck circuit to control the multi-level buck power converter. configured to
本開示の別の態様によれば、SMPSは、マルチレベル降圧電力変換器および制御回路を含む。マルチレベル降圧電力変換器は、第1の降圧回路および第2の降圧回路を含む。第1の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含み、第2の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含む。制御回路は、第1の降圧回路および第2の降圧回路に連結される。制御回路は、第1の降圧回路の電源スイッチのための第1の制御信号および第2の降圧回路の電源スイッチのための第2の制御信号を生成して、連続導通モードにマルチレベル降圧電力変換器を制御して、その結果、逆電流が、第1の降圧回路および前記第2の降圧回路に流れ、かつ第1の制御信号および第2の制御信号のスイッチング周波数を調整して、第1の降圧回路および前記第2の降圧回路を流れる逆電流の量を制御して、マルチレベル降圧電力変換器がその連続導通モードにある間に、第1の降圧回路の電源スイッチおよび第2の降圧回路の電源スイッチのゼロ電圧スイッチング(ZVS)を達成するように構成される。 According to another aspect of the disclosure, a SMPS includes a multi-level step-down power converter and control circuitry. A multi-level step-down power converter includes a first step-down circuit and a second step-down circuit. A first step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor, and a second step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor. A control circuit is coupled to the first step-down circuit and the second step-down circuit. The control circuit generates a first control signal for the power switch of the first buck circuit and a second control signal for the power switch of the second buck circuit to provide multi-level buck power in continuous conduction mode. controlling the converter so that a reverse current flows in the first step-down circuit and the second step-down circuit, and adjusting the switching frequencies of the first control signal and the second control signal, The amount of reverse current flowing through one buck circuit and said second buck circuit is controlled to switch the power switch of the first buck circuit and the second buck circuit while the multi-level buck power converter is in its continuous conduction mode. It is configured to achieve zero voltage switching (ZVS) of the power switch of the step-down circuit.
さらなる態様および適用可能な領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。本開示の様々な態様は、個別に、または1つもしくは複数の他の態様と組み合わせて実施することができることを理解されたい。本明細書の説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していないことも理解されたい。 Further aspects and areas of applicability will become apparent from the description provided herein. It is to be understood that various aspects of the disclosure can be implemented individually or in combination with one or more other aspects. It should also be understood that the description and specific examples herein are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示のみを目的としており、すべての可能な実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。 The drawings described herein are for purposes of illustration of selected embodiments only, are not all possible implementations, and are not intended to limit the scope of the disclosure.
対応する参照符号は、図面のいくつかの図を通して対応する(必ずしも同一ではない)部分および/または特徴を示す。 Corresponding reference characters indicate corresponding (not necessarily identical) parts and/or features throughout the several views of the drawings.
例示的な実施形態は、本開示が徹底的であり、当業者に範囲を十分に伝えるように提供される。本開示の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成要素、装置、および方法の例など、多数の特定の詳細が記載されている。特定の詳細を使用する必要がないこと、例示的な実施形態を多くの異なる形態で具体化することができること、およびいずれも本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことは、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知の装置構造、および周知の技術は詳細には説明されない。 Example embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and will fully convey the scope to those skilled in the art. Numerous specific details are set forth, including examples of specific components, devices, and methods, in order to provide a thorough understanding of the embodiments of the present disclosure. It should be noted that there is no need to use specific details, that example embodiments can be embodied in many different forms, and that none should be construed as limiting the scope of the disclosure. It will be clear to those skilled in the art. In some exemplary embodiments, well-known processes, well-known device structures, and well-known techniques are not described in detail.
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことが意図され得る。「含む」、「含み」、「含む」、および「有する」という用語は包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成要素の存在を指定するが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および/またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書に記載された方法ステップ、プロセス、および動作は、実行の順序として具体的に特定されない限り、必ずしも説明または図示された特定の順序でそれらの実行を必要とすると解釈されるべきではない。追加または代替のステップが使用されてもよいことも理解されたい。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" may be intended to include plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Although the terms "comprise," "comprise," "include," and "have" are inclusive and thus specify the presence of the recited features, integers, steps, acts, elements and/or components, , does not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, acts, elements, components, and/or groups thereof. Method steps, processes, and actions described herein should not be construed as requiring their performance in the particular order described or illustrated, unless specifically identified as an order of performance. . It should also be appreciated that additional or alternative steps may be used.
第1、第2、第3などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層および/または部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、層および/または部分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層または部分を別の領域、層または部分と区別するためにのみ使用され得る。「第1」、「第2」などの用語、および他の数値用語は、本明細書で使用される場合、文脈によって明確に示されない限り、順序または順番を意味しない。したがって、以下で考察される第1の要素、構成要素、領域、層または部分は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層または部分と呼ぶことができる。 The terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and/or sections, although these elements, components, regions, Layers and/or portions should not be limited by these terms. These terms may only be used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Terms such as "first," "second," and other numerical terms, as used herein, do not imply an order or order unless clearly indicated by the context. Thus, a first element, component, region, layer or section discussed below could be referred to as a second element, component, region, layer or section without departing from the teachings of the exemplary embodiments. be able to.
「内側」、「外側」、「真下に」、「より下に」、「下方」、「上方」、「上部」などの空間的に相対的な用語は、本明細書では、図に示すように、1つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を説明するための説明を容易にするために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示されている向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを包含することが意図され得る。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「より下に」または「真下に」と記載された要素は、他方の要素または特徴の「上方に」配向される。したがって、例示的な用語「より下に」は、上方および下方の両方の向きを包含することができる。装置は、他の方向に向けられ(90度または他の向きに回転され)てもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。 Spatially relative terms such as "inner", "outer", "beneath", "below", "lower", "upper", "upper" are used herein as indicated in the figures. may be used to facilitate description to describe the relationship of one element or feature to another. Spatially relative terms may be intended to encompass different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown in the figures. For example, if the device in the figures were to be turned over, elements labeled "below" or "beneath" other elements or features would be oriented "above" the other elements or features. Thus, the exemplary term "below" can encompass both upward and downward orientations. The device may be oriented in other directions (rotated 90 degrees or other orientations) and the spatially relative descriptors used herein interpreted accordingly.
ここで、添付の図面を参照して、例示的な実施形態をより完全に説明する。 Exemplary embodiments will now be described more fully with reference to the accompanying drawings.
本開示の一例示的実施形態による負荷に電力を供給するためのスイッチモード電源が図1に示されており、全体として参照番号100で示されている。図1に示すように、スイッチモード電源100は、降圧回路104、106を有するマルチレベルDC-DC降圧電力変換器102と、降圧回路104、106に連結された制御回路108とを含む。降圧回路104は、電源スイッチ110と、整流器スイッチ112と、インダクタ114とを含み、降圧回路106は、電源スイッチ116と、整流器スイッチ118と、インダクタ120とを含む。制御回路108は、降圧回路104、106に逆電流が流れるように連続導通モード(CCM)でマルチレベルDC-DC降圧電力変換器102を制御するために電源スイッチ110、116用の制御信号122、124を生成し、降圧電力変換器102がその連続導通モードにある間に、制御信号122、124のスイッチング周波数を調整して、電源スイッチ110、116のZVSを達成するように逆電流の量を制御するように構成される。
A switched mode power supply for powering a load according to one exemplary embodiment of the present disclosure is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the switched
制御信号122、124のスイッチング周波数を調整し、降圧回路104、106を流れる逆電流の量を制御することによって、電源100の動的性能および効率が、従来の電源と比較して様々な負荷条件にわたって改善される。例えば、フリーホイーリング周期中に各降圧回路104、106に逆電流が流れることができる。具体的には、負荷電流がインダクタ114,120のピーク間リップル電流の50%(50%)を下回ると、インダクタ114,120を流れる電流は負になる(例えば、リップル電流-負荷電流)。これにより、負荷からインダクタ114,120および整流器スイッチ112,118(例えば、MOSFETなどの電界効果トランジスタ)に逆電流が流れる。例えば、降圧回路104のフリーホイーリング周期中、負荷電流がインダクタ114のピーク間リップル電流の50%未満に低下する場合、電力変換器の出力からインダクタ114および整流器スイッチ112(例えば、同期整流器スイッチなど)を通って逆電流が流れる可能性がある。スイッチング周波数が固定されている場合、負荷が小さくなるにつれて、降圧回路104、106(例えば、整流器スイッチ112、118を介して、)に流れる逆電流の量が増加する。逆電流が増加すると、インダクタ114,120を流れる二乗平均平方根(RMS)電流が望ましくないレベルまで増加し、その結果、損失が増加する可能性がある。
By adjusting the switching frequency of the
しかしながら、スイッチング周波数が変更されれば(例えば、負荷条件が変化するときなどである)、降圧回路104、106を通って流れる逆電流量を所望のレベルに制御することができる。例えば、以下でさらに説明するように、電源スイッチ110,116のZVSが確実に達成されるように逆電流を制御することができる。そのような例では、逆電流は、整流器スイッチ112,118を通って流れ、電源スイッチ110,116がオンになる前に電源スイッチ110,116の両端の電圧をゼロに放電する。ZVSを達成するための所望の逆電流量は、例えば、負荷、インダクタ114、120などに依存する。いくつかの例では、電源100に連結された負荷が変化する場合に、インダクタ114、120を同調(および/または再同調)させることなく、ZVSを達成することができる。したがって、電力変換器102の効率は、インダクタ114、120を同調(および/または再同調)させることなく、異なる負荷条件の間(例えば、軽負荷条件の間)に最適化することができる。
However, if the switching frequency is changed (eg, when load conditions change), the amount of reverse current flowing through the step-down
上述したように、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器102は、CCMで制御される。したがって、電流はインダクタ114、120を通って連続的に流れる。電力変換器102のCCM動作は、ゼロ負荷状態までを含む全負荷範囲にわたって維持することができる。そのような例では、軽負荷状態中の制御帯域幅は、不連続導通モード(DCM)で制御される他の電力変換器と比較して増加され得る。これにより、制御回路108の応答時間が他の電力変換器に比べて長くなる可能性がある。
As described above, the multi-level DC-DC step-down
いくつかの例では、降圧回路104、106に流れる逆電流の量を変更、制限などすることが望ましい場合がある。例えば、電源スイッチ110、116のZVSを達成するために、規定量の逆電流が必要となる可能性がある。しかしながら、逆電流の過剰な量は、降圧回路104、106にとって有害(例えば、効率の低下などである)となり得る。したがって、制御回路108は、所望の量の逆電流を得るためにスイッチング周波数を調整することができる。いくつかの例では、制御回路108は、降圧回路104、106内の逆電流を増加、減少、または維持するために、一方または両方の制御信号122、124のスイッチング周波数を減少または増加させることができる。例えば、スイッチング周波数を減少させると、インダクタのリップル電流が増加する可能性がある(以下でさらに説明する)。リップル電流が増加する結果、逆電流が増加する可能性がある。
In some examples, it may be desirable to alter, limit, etc. the amount of reverse current flowing through the step-down circuits 104,106. For example, a specified amount of reverse current may be required to achieve ZVS of the power switches 110,116. However, an excessive amount of reverse current can be detrimental to the step-down
制御信号122、124のスイッチング周波数は、様々なパラメータに基づいて調整され得る。例えば、スイッチング周波数は、降圧回路104、106に流れる逆電流の量に基づいて調整され得る。そのような例では、制御回路108は、降圧回路104、106を流れる逆電流を監視し(例えば、電流センサによる感知など)、降圧回路104を流れる逆電流の値に基づいて制御信号122のスイッチング周波数を調整し、および/または降圧回路106を流れる逆電流の値に基づいて制御信号124のスイッチング周波数を調整することができる。
The switching frequency of
いくつかの例では、一方または両方の制御信号122、124のスイッチング周波数は、逆電流の値に基づいて段階的に調整され得る。このような例では、負荷が変化する場合、スイッチング周波数は段階的に変化することができる。例えば、異なるスイッチング周波数は、異なる負荷帯域に対応することができる。例えば、スイッチング周波数F1は0~10%の負荷帯域に対応することができ、スイッチング周波数F2は10%~20%の負荷帯域に対応することができ、スイッチング周波数F3は20%~30%の負荷帯域に対応することができ、スイッチング周波数F4は30%~40%の負荷帯域に対応することができる。いくつかの例では、スイッチング周波数F1は他の周波数値と比較して最大値を有する可能性があり、スイッチング周波数F4は他の周波数値と比較して最小値を有する可能性があり、スイッチング周波数F2はスイッチング周波数F3より大きい可能性がある。そのような例では、降圧回路104および/または降圧回路106を通って流れる逆電流は、制御回路108が周波数を変更する(例えば、F1~F2)前に、特定の量(例えば、2.5Aなど)まで増加することが可能である(例えば、負荷の増加に起因して)。周波数が変更されると、逆電流の量はより低いレベルまで減少し得る。
In some examples, the switching frequency of one or both
他の例では、スイッチング周波数は負荷に基づいて調整され得る。例えば、図1の電源100は、電源100に接続された負荷(図示せず)に電力を供給するための負荷電流を提供する。そのような例では、制御回路108は、負荷電流が規定範囲内にある場合、一方または両方の制御信号122、124のスイッチング周波数を調整することができる。このモードで動作すると、電源スイッチ110、116は、スイッチング周波数の変更に起因する過剰な逆電流なしに、規定範囲全体にわたってZVSを達成することができる。制限された逆電流の結果として、正味の効率は、規定の負荷範囲全体にわたって維持および/または増加され得る。制御回路108は、ZVSを達成するために所望の量の逆電流を得るために必要に応じてスイッチング周波数を調整することができる。例えば、スイッチング周波数は、負荷電流が規定範囲の下限付近にある場合の1つの値であることができ、スイッチング周波数は、負荷電流が規定範囲の上限付近にある場合にはより低い値であることができる。
In other examples, the switching frequency may be adjusted based on load. For example,
規定範囲は、例えば、電源100の全負荷ピーク電流に依存し得る。そのような例では、規定範囲は、全負荷ピーク電流の0~40%、全負荷ピーク電流の10%~40%、全負荷ピーク電流の15%~35%、全負荷ピーク電流の5%~45%、および/または別の適切な範囲を含むことができる。他の例では、規定範囲は、必要に応じて別のパラメータに基づいてもよい。
The specified range may depend, for example, on the full load peak current of
いくつかの好ましい実施形態では、制御回路108は、負荷電流が規定範囲内にある場合にのみ、一方または両方の制御信号122、124のスイッチング周波数を調整する。負荷電流が規定範囲外である場合、制御信号122、124は固定スイッチング周波数を有することができる。例えば、電源100の負荷電流が規定範囲を上回る(例えば、30%、35%、40%、45%などより大きい)場合、制御信号122、124は固定スイッチング周波数を有することができる。この間、電力変換器102は、重負荷動作状態にあり、CCM(例えば、CCM固定周波数モード)で制御され得る。いくつかの例では、特に負荷が増加するにつれて、電力変換器102に逆電流がほとんどない、またはまったくない場合がある。
In some preferred embodiments,
電源100の負荷電流が規定範囲(例えば、5%、10%、15%、20%未満など)を下回る場合、制御信号122、124は別の(異なる)固定スイッチング周波数を有することができる。この間、電力変換器102は、軽負荷動作状態にあり、そのCCM(例えば、CCM固定周波数モード)で制御され得る。そのような例では、降圧回路104、106を通って流れる逆電流は、ZVSに必要なレベルを超えることができる。
If the load current of the
負荷電流が規定範囲未満である場合の固定スイッチング周波数は、負荷電流が規定範囲よりも大きい場合の固定スイッチング周波数と同じである可能性があり、または異なっている可能性がある。例えば、負荷電流が規定範囲を下回る場合の固定スイッチング周波数は、負荷電流が規定範囲を上回るときの固定スイッチング周波数よりも大きい可能性がある。この低減された周波数は、降圧回路104、106におけるインダクタリップル電流および逆電流を低減することができる。 The fixed switching frequency for load currents below the specified range may be the same as or different from the fixed switching frequency for load currents above the specified range. For example, the fixed switching frequency when the load current is below the specified range may be higher than the fixed switching frequency when the load current is above the specified range. This reduced frequency can reduce inductor ripple current and reverse current in the step-down circuits 104,106.
図1に示すように、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器102(および/または本明細書に開示されている他のマルチレベル降圧電力変換器)は、2つの降圧回路104、106(例えば、電力変換レベル)のみを含む。他の実施形態では、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器102(および/または本明細書に開示されている他のマルチレベル降圧電力変換器のいずれか)は、3つ以上の降圧回路(例えば、電力変換レベル)を含むことができる。
As shown in FIG. 1, a multi-level DC-DC step-down power converter 102 (and/or other multi-level step-down power converters disclosed herein) includes two step-down
図2は、図1の電源100に使用され得るマルチレベル降圧電力変換器の一例を示す。具体的には、図2は、降圧回路204、206を含むマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202を示す。降圧回路204は、電源スイッチQ 1と、同期整流器スイッチQ3と、電源スイッチQ1と同期整流器スイッチQ3との間に連結されて降圧変換器トポロジを形成するインダクタL1とを含む。降圧回路206は、電源スイッチQ2と、同期整流器スイッチQ4と、電源スイッチQ2と同期整流器スイッチQ4との間に連結されて降圧変換器トポロジを形成するインダクタL2とを含む。スイッチQ1~Q4は図2にMOSFETとして示されているが、必要に応じて任意の他の適切なスイッチング装置を使用することができる。
FIG. 2 shows an example of a multi-level step-down power converter that may be used in
図2に示すように、降圧回路204は正のバルク入力電圧と基準電圧(例えば、地面)との間に連結され、降圧回路206は負のバルク入力電圧と基準電圧との間に連結される。具体的には、電源スイッチQ1は正のバルク入力電圧(例えば、入力源V1の正側)に連結され、電源スイッチQ2は負のバルク入力電圧(例えば、入力源V1の負側)に連結され、同期整流器スイッチQ3、Q4は基準電圧(例えば、地面)に連結される。図2に示すように、電力変換器202は、インダクタL1、L2の間に連結された出力コンデンサCoを含む。
As shown in FIG. 2,
図2の例示的な実施形態では、電力変換器202は、降圧回路204、206の両端に連結された入力側コンデンサを含む。具体的には、電力変換器202は、正のバルク入力電圧と基準電圧との間に連結されたコンデンサC1と、負のバルク入力電圧と基準電圧との間に連結されたコンデンサC2とを含む。コンデンサC1は、変換器の入力と降圧回路204(例えば、スイッチQ1、Q3)との間に連結され、コンデンサC2は、変換器の入力と降圧回路206(例えば、スイッチQ2、Q4)との間に連結される。この配置は、コンデンサC1、C2の両端の(したがってスイッチQ1~Q4の両端の)電圧が入力源V1によって提供される入力電圧の半分に維持されることを保証する。例えば、入力源V1は、800Vなどの高入力DC電圧を電力変換器202に提供することができる。この例では、各コンデンサC1、C2の両端の電圧は400Vに維持される。したがって、スイッチQ1~Q4の両端に印加される最大電圧応力(Vds)は約400Vである。いくつかの例では、Vienna AC-DC整流器を使用してコンデンサC1、C2の両端に電圧を供給する。
In the exemplary embodiment of FIG. 2,
スイッチQ1~Q4は、制御回路(図示しない)によって生成された制御信号を受信する。具体的には、電源スイッチQ1はPWM制御信号AAを受信し、同期整流器スイッチQ 3はPWM制御信号AA_SRを受信し、電源スイッチQ2はPWM制御信号BBを受信し、同期整流器スイッチQ4はPWM制御信号BB_SRを受信する。図3は、スイッチQ1~Q4のPWM制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRを示している。図3に示すように、制御信号AA_SR、BB_SRは、それぞれ制御信号AA、BBに対して相補的である。このように、電源スイッチQ1,Q2に対する制御信号AA、BBのデューティサイクルをDとすると、同期整流器スイッチQ3,Q4に対する制御信号AA_SR、BB_SRのデューティサイクルは1-Dとなる。 The switches Q1-Q4 receive control signals generated by a control circuit (not shown). Specifically, power switch Q1 receives PWM control signal AA, synchronous rectifier switch Q3 receives PWM control signal AA_SR, power switch Q2 receives PWM control signal BB, and synchronous rectifier switch Q4 receives PWM control signal AA_SR. Receive signal BB_SR. FIG. 3 shows the PWM control signals AA, BB, AA_SR, BB_SR of the switches Q1-Q4. As shown in FIG. 3, control signals AA_SR, BB_SR are complementary to control signals AA, BB, respectively. Thus, if the duty cycle of control signals AA, BB for power switches Q1, Q2 is D, then the duty cycle of control signals AA_SR, BB_SR for synchronous rectifier switches Q3, Q4 is 1-D.
いくつかの例では、降圧回路204、206は、それらの間の位相シフトを維持するように動作することができる。例えば、図3に示すように、電源スイッチQ1、Q2の制御信号AA、BBは、互いに対して180度位相シフトされる。他の例では、位相シフトは、例えば、電力変換器202に使用される降圧回路の数に応じて異なることができる。
In some examples, the step-down
さらに、図3に示すように、制御信号AA、AA_SRのハイ/ロー移行の間(例えば、スイッチQ1、Q3のオン/オフ移行)、および制御信号BB、BB_SRのハイ/ロー移行の間(例えば、スイッチQ2、Q4のオン/オフ移行)にデッドタイムが配置され得る。スイッチング状態間のデッドタイムは、シュートスルー状態を防止するのに役立ち、電源スイッチQ1、Q2のZVSを達成する役割を果たすことができる。 Further, as shown in FIG. 3, during high/low transitions of control signals AA, AA_SR (eg, on/off transitions of switches Q1, Q3) and between high/low transitions of control signals BB, BB_SR (eg, ON/OFF transitions of switches Q1, Q3). , the on/off transitions of the switches Q2, Q4)). The dead time between switching states helps prevent shoot-through conditions and can play a role in achieving ZVS of the power switches Q1, Q2.
上記で説明したように、特に軽負荷条件の間に、ZVSを達成し、変換器効率を最適化するために逆電流を使用することができる。例えば、電力変換器202内の逆電流は、フリーホイーリング周期中に変換器の出力からインダクタL1、L2を通って流れ、ZVSを達成するために電源スイッチQ1、Q2の両端の電圧(Vds)を放電するために、同期整流器スイッチQ3、Q4によって使用される。具体的には、負荷電流がインダクタL1、L2のピーク間リップル電流の50%を下回ると、インダクタL1、L2を通る電流は負になる(例えば、リップル電流-負荷電流)。これにより、変換器の出力(例えば、出力コンデンサCo)からインダクタL1,L2および整流器スイッチQ3,Q4を通って逆電流が流れる。例えば、降圧回路204のフリーホイーリング周期中、負荷電流がインダクタL1のピーク間リップル電流の50%未満に低下すると、逆電流(図2に破線矢印208で示す)が出力コンデンサCoからインダクタL1および整流器スイッチQ3を通って流れる。
As explained above, reverse current can be used to achieve ZVS and optimize converter efficiency, especially during light load conditions. For example, the reverse current in the
さらに、図2のインダクタL1、L2(および/または本明細書に開示される他のインダクタのいずれか1つ)は、ZVSを達成するのを支援するように選択され得る。例えば、インダクタL1、L2の値は、所望のピーク間リップル電流に対して選択され得る。所望のピーク間リップル電流を達成することは、上記で説明したように、逆電流状態および所望の量の逆電流を生成するのを支援することができる。逆電流状態中に十分なエネルギーがインダクタL1、L2に蓄積されると、電源スイッチQ1、Q2のZVSが達成され得る。したがって、インダクタL1、L2の値は、ZVSを達成するために特定の負荷レベルで十分な量の逆電流が生成されることを確実にするために、所望のピーク間リップル電流に対して選択され得る。 Additionally, inductors L1, L2 of FIG. 2 (and/or any one of the other inductors disclosed herein) may be selected to help achieve ZVS. For example, the values of inductors L1, L2 may be selected for a desired peak-to-peak ripple current. Achieving the desired peak-to-peak ripple current can help create a reverse current condition and a desired amount of reverse current, as explained above. ZVS of power switches Q1, Q2 can be achieved when sufficient energy is stored in inductors L1, L2 during reverse current conditions. Therefore, the values of inductors L1, L2 are selected for the desired peak-to-peak ripple current to ensure that a sufficient amount of reverse current is generated at a particular load level to achieve ZVS. obtain.
本明細書で説明するように、逆電流の量は、スイッチング周波数を調整することによって制御され得る。例えば、スイッチング周波数が固定されており、同期整流器スイッチQ3、Q4のデューティサイクルが1-Dである場合、負荷が減少するにつれて逆電流量が増加する。したがって、インダクタL1、L2に蓄積されるエネルギーは、ZVSを達成するのに必要な量を超える可能性がある。しかしながら、スイッチング周波数が調整されると、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流が変化することにより、逆電流量が変化する。例えば、スイッチング周波数を増加させると、ピーク間リップル電流が減少する。その結果、逆電流が減少する。 As described herein, the amount of reverse current can be controlled by adjusting the switching frequency. For example, if the switching frequency is fixed and the duty cycle of the synchronous rectifier switches Q3, Q4 is 1-D, the amount of reverse current increases as the load decreases. Therefore, the energy stored in inductors L1, L2 may exceed the amount necessary to achieve ZVS. However, as the switching frequency is adjusted, the amount of reverse current changes due to the change in the peak-to-peak ripple currents in inductors L1 and L2. For example, increasing the switching frequency reduces the peak-to-peak ripple current. As a result, the reverse current is reduced.
例えば、図4および図5は、降圧回路204に関連する電圧波形および電流波形を示す。具体的には、図4および図5に示すように、波形402、502は電源スイッチQ1のターンオン電圧(Vgs)を表し、波形404、504は電源スイッチQ1の両端の電圧(Vds)を表し、波形406、506は負荷電流が4.5アンペアの場合のインダクタL1の電流を表す。図4の例のスイッチング周波数は35kHzであり、図5の例のスイッチング周波数は30kHzである。図4に示すように、電圧(Vgs)が上昇して電源スイッチQ1をオンにする前に、電源スイッチQ1の両端の電圧(Vds)は放電されない。したがって、図4の例では、電源スイッチQ1においてZVSは達成されない。しかし、スイッチング周波数を35kHzから30kHzまで低下させると、波形406、506に示すように逆電流量が増加する。この増加した逆電流は、図5の波形502、504に示すように、電圧(Vgs)が増加して電源スイッチQ1をオンにする前に、電源スイッチQ1の両端の電圧(Vds)を放電させる。
For example, FIGS. 4 and 5 show voltage and current waveforms associated with step-down
図2および図3に戻って参照すると、電源スイッチQ1、Q2の制御信号AA、BBのオン時間は、重複している可能性があり、または重複していない可能性がある。例えば、制御信号AA、BBのデューティサイクルがデューティサイクル閾値を超える場合、電源スイッチQ1、Q2に対する制御信号AA、BBのオン時間が重複する可能性がある。制御信号AA、BBのデューティサイクルがデューティサイクル閾値を下回る場合、電源スイッチQ1、Q2に対する制御信号AA、BBのオン時間は重複しない可能性がある。いくつかの例では、デューティサイクル閾値は、50%(50%)または別の適切な値であってもよい。 Referring back to FIGS. 2 and 3, the on-times of the control signals AA, BB of the power switches Q1, Q2 may or may not overlap. For example, if the duty cycle of the control signals AA, BB exceeds the duty cycle threshold, the on-times of the control signals AA, BB for the power switches Q1, Q2 may overlap. If the duty cycle of the control signals AA, BB is below the duty cycle threshold, the on-times of the control signals AA, BB for the power switches Q1, Q2 may not overlap. In some examples, the duty cycle threshold may be fifty percent (50%) or another suitable value.
例えば、図6は、図2のスイッチQ1~Q4のPWM制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRを示しており、制御信号AA、BBはオン時間が重複しない。図7~図9は、制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRの状態に応じた図2の電力変換器202の電流の流れを示す。例えば、図6に示すサブ間隔t0-t1の間、制御信号AA、BB_SRはハイであり、制御信号BB、AA_SRはローである。したがって、スイッチQ1、Q4はオンであり、電流(矢印700で示す)は、図7に示すように、電源スイッチQ1、インダクタL1、L2、および同期整流器スイッチQ4を通って流れる。このシナリオでは、インダクタL1、L2の両方がコンデンサC1から通電され(例えば、電力変換器の入力電圧の半分)、電力が電力変換器の出力に供給される。この間、インダクタL1,L2のピーク間リップル電流は、以下の式(1)で計算され得る。
式(1)
For example, FIG. 6 shows PWM control signals AA, BB, AA_SR, BB_SR of switches Q1-Q4 of FIG. 7-9 illustrate current flow in
formula (1)
上記式(1)において、Voは電力変換器202の出力電圧であり、Dはデューティサイクル(Vo/Vin)であり、L1、L2はインダクタL1,L2のインダクタンス値であり、Tswはこの時間間隔のスイッチング期間である。ここで、「Vin/2」はコンデンサC1の両端の電圧(Vc1)を表し、「D*Tsw」は制御信号のオン時間(Ton)を表す。
In the above equation (1), Vo is the output voltage of the
図6に示すサブ間隔t2~t3の間、制御信号BB、AA_SRはハイであり、制御信号AA、BB_SRはローである。したがって、スイッチQ2、Q3はオンであり、電流(矢印900で示す)は、図9に示すように、同期整流器スイッチQ3、インダクタL1、L2、および電源スイッチQ2を通って流れる。このシナリオでは、インダクタL1、L2の両方がコンデンサC2から通電され(例えば、電力変換器の入力電圧の半分)、電力が電力変換器の出力に供給される。このように、降圧回路204、206は、入力コンデンサC1、C2からの電力の取り込みを交互に行い、入力コンデンサC1、C2からの平衡された電力消費を保証する。サブ間隔t2~t3の間、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、コンデンサC2の両端の電圧がコンデンサC1の両端の電圧に等しい場合、上記の式(1)を用いて計算することができる。
During the sub-intervals t2-t3 shown in FIG. 6, the control signals BB, AA_SR are high and the control signals AA, BB_SR are low. Thus, switches Q2, Q3 are on and current (indicated by arrow 900) flows through synchronous rectifier switch Q3, inductors L1, L2, and power switch Q2, as shown in FIG. In this scenario, both inductors L1, L2 are energized from capacitor C2 (eg, half the input voltage of the power converter) and power is delivered to the output of the power converter. Thus, the step-down
図6に示すサブ間隔t1~t2、t3~t4の間、制御信号AA_SR、BB_SRはハイであり、制御信号AA、BBはローである。このように、同期整流器スイッチQ3、Q4はオンであり、電源スイッチQ1、Q2はオフであり、それによってインダクタL1、L2と電力変換器の入力からの電力変換器の出力とを切断する。これにより、インダクタL1,L2がフリーホイーリングを開始する。この時間の間、電流(矢印800で示す)は、図8に示すように、同期整流器スイッチQ3、Q4およびインダクタL1、L2を通ってループ状に流れる。これらのサブ間隔の間、フリーホイーリング周期Tfwは、以下の式(2)を用いて計算することができ、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、以下の式(3)を用いて計算することができる。
式(2)
式(3)
During the sub-intervals t1-t2, t3-t4 shown in FIG. 6, the control signals AA_SR, BB_SR are high and the control signals AA, BB are low. Thus, the synchronous rectifier switches Q3, Q4 are on and the power switches Q1, Q2 are off, thereby disconnecting the inductors L1, L2 and the output of the power converter from the input of the power converter. This causes inductors L1 and L2 to start freewheeling. During this time, current (indicated by arrow 800) flows in a loop through synchronous rectifier switches Q3, Q4 and inductors L1, L2 as shown in FIG. During these sub-intervals, the freewheeling period Tfw can be calculated using equation (2) below, and the peak-to-peak ripple current in inductors L1, L2 can be calculated using equation (3) below: can do.
formula (2)
Formula (3)
図10は、制御信号AA、BBは、オン時間が重複しない場合の図2の降圧回路204の電圧および電流特性の様々な波形を示す。具体的には、図10の波形1002、1004、1006、1008は、それぞれ、上述した時間間隔t0~t1、t1~t2、t2~t3、t3~t4の間のインダクタL1の両端の電圧、電源スイッチQ1を通る電流、同期整流器スイッチQ3を通る電流、およびインダクタL1を通る電流を表す。
FIG. 10 shows various waveforms of voltage and current characteristics of the step-down
特定の一例では、入力源V1は、図2のマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202に800Vの電圧を提供し、インダクタL1、L2は25μHのインダクタンスを有する。加えて、電源スイッチQ1,Q2は、50kHzのスイッチング周波数Fsでスイッチングされる。このような例では、スイッチング周期Tswは20μsec(例えば、1/50kHz)であり、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器202は320Vの出力電圧Voを提供する。この例では、制御信号AA、BBのデューティサイクルDは、上記で説明したように出力電圧Voを入力電圧Vinで除算することによって計算することができ、制御信号AA、BBのオン時間Tonは、デューティサイクルDとスイッチング周期Tswとを乗算することによって計算することができ、フリーホイーリング周期Tfwは、上記の式(2)を使用して計算することができる。したがって、この特定の例では、デューティサイクルDは0.4(例えば、320V/800V)であり、制御信号AA、BBのオン時間Tonは8μsec(例えば、0.4*20μsec)であり、フリーホイーリング周期Tfwは2μsecである。電源スイッチQ1、Q2のオン時間中(例えば、サブ間隔t0~t1、t2~t3の間に)のインダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、上記の式(1)を使用して計算することができ、フリーホイーリング周期Tfw中(例えば、サブ間隔t1~t2、t3~t4の間に)のインダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、上記の式(3)を使用して計算することができる。したがって、この特定の例では、電源スイッチQ1、Q2のオン時間中のピーク間リップル電流は12.8アンペアであり、フリーホイーリング周期Tfw中のピーク間リップル電流は12.8アンペアである。
In one particular example, input source V1 provides a voltage of 800V to multi-level DC-DC step-down
上記のピーク間リップル電流計算は、シミュレーションによって検証することができる。例えば、図11は、制御信号AA、BBはオン時間が重複しない場合の図2の降圧回路204の電圧および電流特性の様々なシミュレートされた波形を示す。具体的には、図11の波形1102、1104、1106は、それぞれ、インダクタL1のピーク間リップル電流、電源スイッチQ1のターンオン電圧(例えば、制御信号AA)、およびマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202の出力電圧Voを表す。図示のように、電源スイッチQ1が50kHzで40%のデューティサイクルで動作する場合、出力電圧の平均値は約319.75Vであり、ピーク間リップル電流は約12.7である。
The above peak-to-peak ripple current calculations can be verified by simulation. For example, FIG. 11 shows various simulated waveforms of the voltage and current characteristics of step-down
図12は、図2のスイッチQ1~Q4のPWM制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRを示しており、制御信号AA、BBはオン時間が重複する。図13~図15は、制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRの状態に応じた図2の電力変換器202の電流の流れを示す。例えば、図12に示すサブ間隔t0~t1、t2~t3の間、制御信号AA、BBはハイであり、制御信号AA~SR、BB_SRはローである。したがって、図13に示すように、電源スイッチQ1、Q2はオンであり、電流(矢印1300で示す)は電源スイッチQ1、Q2およびインダクタL1、L2を通って流れる。このシナリオでは、両方のインダクタL1、L2は、電力変換器202の総入力バス電圧(例えば、入力源V1によって提供される電圧)から通電される。これらのサブ間隔の間、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、以下の式(4)で計算することができる。
式(4)
FIG. 12 shows PWM control signals AA, BB, AA_SR, BB_SR of the switches Q1-Q4 of FIG. 2, and the ON times of the control signals AA, BB overlap. 13-15 illustrate current flow in
Formula (4)
上記の式(4)において、Vinは電源V1からの入力電圧であり、Vc1、Vc2はコンデンサC1、C2の両端の電圧であり、Voは電力変換器202の出力電圧であり、Dはデューティサイクル(Vo/Vin)であり、Tswはこの時間間隔のスイッチング期間である。
In equation (4) above, Vin is the input voltage from power supply V1, Vc1, Vc2 are the voltages across capacitors C1, C2, Vo is the output voltage of
図12に示すサブ間隔t1~t2の間、制御信号AA、BB_SRはハイであり、制御信号BB、AA_SRはローである。したがって、スイッチQ1、Q4はオンであり、電流(矢印1400で示す)は、図14に示すように、電源スイッチQ1、インダクタL1、L2、および同期整流器スイッチQ4を通って流れる。このシナリオでは、両方のインダクタL1、L2は、コンデンサC1(例えば、電力変換器の入力電圧の半分)から通電され、降圧回路204への帰路でフリーホイールする。このサブ間隔の間、フリーホイーリング周期Tfwは、以下の式(5)を用いて計算することができ、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、以下の式(6)を用いて計算することができる。
式(5)
式(6)
During the sub-intervals t1-t2 shown in FIG. 12, the control signals AA, BB_SR are high and the control signals BB, AA_SR are low. Thus, switches Q1, Q4 are on and current (indicated by arrow 1400) flows through power switch Q1, inductors L1, L2, and synchronous rectifier switch Q4, as shown in FIG. In this scenario, both
Formula (5)
Formula (6)
図12に示すサブ間隔t3~t4の間、制御信号AA_SR、BBはハイであり、制御信号AA、BB_SRはローである。したがって、スイッチQ2、Q3はオンであり、電流(矢印1500で示す)は、図15に示すように、同期整流器スイッチQ3、インダクタL1、L2、および電源スイッチQ2を通って流れる。この時間間隔で、両方のインダクタL1、L2は、コンデンサC2(例えば、電力変換器の入力電圧の半分)から通電され、降圧回路206への帰路でフリーホイールする。サブ間隔t3~t4の間、インダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、コンデンサC2の両端の電圧がコンデンサC1の両端の電圧に等しい場合、上記の式(6)を用いて計算することができる。
During the sub-intervals t3-t4 shown in FIG. 12, the control signals AA_SR, BB are high and the control signals AA, BB_SR are low. Thus, switches Q2, Q3 are on and current (indicated by arrow 1500) flows through synchronous rectifier switch Q3, inductors L1, L2, and power switch Q2, as shown in FIG. During this time interval, both
図16は、制御信号AA、BBがオン時間が重複する場合の図2の降圧回路204の電圧および電流特性の様々な波形を示す。具体的には、図16の波形1602、1604、1606、1608は、それぞれ、上述した時間間隔t0~t1、t1~t2、t2~t3、t3~t4の間のインダクタL1の両端の電圧、電源スイッチQ2を通る電流、同期整流器スイッチQ4を通る電流、およびインダクタL1を通る電流を表す。
FIG. 16 shows various waveforms of voltage and current characteristics of the step-down
上述したように、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器202は、800Vの入力電圧を受け取ることができ、インダクタL1、L2は、25μHのインダクタンスを有することができる。加えて、電源スイッチQ1、Q2は、上述したように、50kHzのスイッチング周波数Fsで動作することができる。このような例では、スイッチング周期Tswは20μsec(例えば、1/50kHz)であり、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器202は500Vの出力電圧Voを提供する。この例では、制御信号AA、BBのデューティサイクルDは、上記で説明したように出力電圧Voを入力電圧Vinで除算することによって計算することができ、制御信号AA、BBのオン時間Tonは、デューティサイクルDおよびスイッチング周期Tswに基づいて計算することができ、フリーホイーリング周期Tfwは、上記の式(5)を使用して計算することができる。したがって、この特定の例では、デューティサイクルDは0.625(例えば、500V/800V)であり、制御信号AA、BBのオン時間Tonは2.5μsec(例えば、(D-0.5)*Tsw=(0.625-0.5)*20μsec)であり、フリーホイーリング周期Tfwは7.5μsecである。電源スイッチQ1、Q2のオン時間中(例えば、サブ間隔t0~t1、t2~t3の間に)のインダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、上記の式(4)を使用して計算することができ、フリーホイーリング周期Tfw中(例えば、サブ間隔t1~t2、t3~t4の間に)のインダクタL1、L2のピーク間リップル電流は、上記の式(6)を使用して計算することができる。したがって、この特定の例では、電源スイッチQ1、Q2のオン時間中のピーク間リップル電流は15アンペアであり、フリーホイーリング周期Tfw中のピーク間リップル電流は15アンペアである。
As mentioned above, the multi-level DC-DC step-down
上記のピーク間リップル電流計算は、シミュレーションによって検証することができる。例えば、図17は、制御信号AA、BBがオン時間が重複する場合の図2の降圧回路204の電圧および電流特性の様々なシミュレートされた波形を示す。具体的には、図17の波形1702、1704、1706は、それぞれ、電源スイッチQ1のターンオン電圧(例えば、制御信号AA)、ピーク間リップル電流、およびマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202の出力電圧Voを表す。図示のように、電源スイッチQ1が周波数50kHzで62.66%のデューティサイクルで動作する場合、出力電圧の平均値は約500Vであり、ピーク間リップル電流は約15.3である。
The above peak-to-peak ripple current calculations can be verified by simulation. For example, FIG. 17 shows various simulated waveforms of the voltage and current characteristics of step-down
図10、図11、図16、および図17の例では、インダクタリップル電流の周波数は、電源スイッチQ1、Q2のスイッチング周波数(Fs)の約2倍である。したがって、これらの特定の例では、インダクタリップル電流の周波数は約100kHzである。そのような例では、インダクタL1、L2のサイズ(例えば、インダクタンス)は、従来のインターリーブ降圧電力変換器と比較して縮小され得る(例えば、50%)。 In the examples of Figures 10, 11, 16 and 17, the frequency of the inductor ripple current is approximately twice the switching frequency (Fs) of the power switches Q1, Q2. Therefore, in these particular examples, the frequency of the inductor ripple current is approximately 100 kHz. In such an example, the size (eg, inductance) of inductors L1, L2 may be reduced (eg, by 50%) compared to conventional interleaved step-down power converters.
いくつかの例では、図2のマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202内のスイッチは、逆回復損失および/またはスイッチング損失を経験する可能性がある。例えば、電力変換器202がCCMで動作する場合、同期整流器スイッチQ3、Q4は逆回復損失を被る可能性があり、電源スイッチQ1、Q2はオンおよび/またはオフのスイッチング損失を受ける可能性がある。具体的には、同期整流器スイッチQ3、Q4は、シュートスルー電流を回避するためにスイッチQ3、Q4がオフになる前の短い期間(例えば、デッドタイム中に)、それらのボディダイオードを通じて電流を伝導する。ダイオード導通は、逆回復電流を発生させ、逆回復損失を引き起こす可能性がある。GaNタイプのスイッチングデバイスが使用される場合、逆回復損失およびスイッチング損失が低減され得る(場合によっては排除され得る)。
In some examples, the switches in multi-level DC-DC step-down
本明細書で開示される電源は、複数の電力変換器段を含むことができる。例えば、本明細書で開示されるマルチレベルDC-DC降圧電力変換器は、電力変換器段の1つであってもよい。他の電力変換器段は、例えば、共振電力変換器を含むことができる。 The power supplies disclosed herein can include multiple power converter stages. For example, the multi-level DC-DC step-down power converter disclosed herein may be one of the power converter stages. Other power converter stages may include, for example, resonant power converters.
例えば、図18は、図1のマルチレベル降圧電力変換器102、共振電力変換器1802、および降圧回路104、106の電源スイッチ110、116を制御するための制御回路1808を含むスイッチモード電源1800を示す。いくつかの例では、図18の制御回路1808は、図1の制御回路108と同様に機能することができる。そのような例では、制御回路1808は、(上述したように)降圧回路104、106に逆電流が流れるように、CCM内のマルチレベルDC-DC降圧電力変換器102を制御するために電源スイッチ110、116の制御信号を生成し、次いで、制御信号のスイッチング周波数を調整して、電源スイッチ110,116のZVSを達成するために逆電流の量を制御することができる。他の例では、図18の制御回路1808は別の適切な方法で機能してもよく、降圧回路104、106に逆電流が流れる可能性があり、または流れない可能性がある。
For example, FIG. 18 shows a switched
図18に示すように、共振電力変換器1802は、マルチレベル降圧電力変換器102に連結される。具体的には、図18の特定の例では、共振電力変換器1802は、マルチレベル降圧電力変換器102の出力に連結される。他の例では、共振電力変換器1802は、例えば、介在する構成要素、電力変換器段などを介してマルチレベル降圧電力変換器102の出力に連結され得る。
As shown in FIG. 18,
図18の例では、共振電力変換器1802は固定周波数変換器であってもよい。例えば、図18には示されていないが、制御回路1808および/または別の適切な制御回路は、共振電力変換器1802内の1つまたは複数の電源スイッチに対して固定スイッチング周波数を有する制御信号を生成することができる。他の例では、共振電力変換器1802内の電源スイッチは、変化するスイッチング周波数を有することができ、調整可能なスイッチング周波数などで制御され得る。
In the example of FIG. 18,
共振電力変換器1802は、例えば、インターリーブ共振バス変換器トポロジ、非インターリーブ共振バス変換器トポロジなどを含む任意の適切な共振トポロジを有することができる。例えば、図19は、図2のマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202の出力に連結されたインターリーブ共振バス電力変換器1902を含むスイッチモード電源1900を示す。図19の例では、電源1900は、電力変換器202と共振電力変換器1902との間に連結されたコンデンサCo1と、共振電力変換器1902と負荷(例えば、抵抗Rloadとして示されている)との間に連結された出力コンデンサCo2とをさらに含む。
図19に示す電力変換器202のスイッチQ1~Q4は、上記で説明したのと同様の方法で任意選択的に制御することができる。例えば、図19に示すように、電源1900は、スイッチQ1~Q4を制御するための制御回路1938を含む。具体的には、制御回路1938は、比較器1940と、コントローラ1942(例えば、PIDコントローラ、PIコントローラなどである。)と、PWMドライバ1944と、コントローラ1942とPWMドライバ1944との間に連結された絶縁デバイス1946(例えば、絶縁トランス、オプトカプラなどである)とを含む。比較器1940は、電源の出力電圧を表す信号と参照信号Vrefとに基づいて誤差信号を生成する。そのような例では、PWMドライバ1944は、上述したようにスイッチQ1~Q4を制御するための誤差信号に基づいて、および/または別の適切な方法でPWM制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRを生成することができる。
Switches Q1-Q4 of
図19に示すように、インターリーブ共振バス電力変換器1902は、並列に連結された2つのサブ変換器1930、1932を含む。サブ変換器1930は、トランスTX1と、トランスTX1の一次巻線に連結された電源スイッチQ5、Q6と、電源スイッチQ5、Q6と電力変換器202の出力との間に連結されたコンデンサC3、C4と、トランスTX1の一次巻線に連結されたインダクタL3と、トランスTX1の二次巻線に連結されたダイオードD1、D2、D3、D4を有する整流回路1934とを含む。サブ変換器1932は、サブ変換器1930と同様の構成要素を備えるが、トランスTX2と、電源スイッチQ7,Q8と、コンデンサC5,C6と、インダクタL4と、ダイオードD5、D6、D7、D8を有する整流回路1936とを備える。各サブ変換器1930、1932の電源スイッチは、ハーフブリッジトポロジで配置されている。加えて、各サブ変換器1930、1932のインダクタ、コンデンサ、およびトランスの一次巻線は、共振タンク回路を形成する。
As shown in Figure 19, the interleaved resonant
図19の特定の例では、整流回路1934、1936のダイオードはフルブリッジ整流器として配置されている。他の例では、整流回路1934、1936は、ハーフブリッジ整流器として配置された2つのダイオードを含むことができる。いくつかの例では、整流回路1934、1936は、ダイオードの代わりに同期整流器スイッチなどの1つまたは複数の他の適切なスイッチングデバイスを含むことができる。
In the particular example of FIG. 19, the diodes of
図20は、図19の電源1900と同様であるが、インターリーブ共振バス電力変換器1902の代わりに非インターリーブ共振バス電力変換器2002を含むスイッチモード電源2000を示す。電源2000は、コンデンサCo1、Co2、および図19の制御回路1938を含む。具体的には、図20に示すように、コンデンサCo1は電力変換器202と共振電力変換器2002との間に連結され、出力コンデンサCo2は共振電力変換器2002と負荷との間に連結され、制御回路1938は、上述したようにスイッチQ1~Q4を制御するためのPWM制御信号AA、BB、AA_SR、BB_SRを生成する。
FIG. 20 shows a switched
非インターリーブ共振バス電力変換器2002は、図19のサブ変換器1930と実質的に同様の構成要素の配置を含む。例えば、電力変換器2002は、図19のトランスTX1、電源スイッチQ5、Q6、コンデンサC3、C4、および整流回路1934を含む。コンデンサC3、C4およびトランスの一次巻線は、共振タンク回路を形成する。
Non-interleaved resonant
いくつかの例では、図19および図20の共振電力変換器1902、2002は、電源1900、2000(例えば、抵抗Rloadの両端の電圧)の出力のための固定利得による絶縁を提供する。例えば、共振電力変換器1902、2002の電源スイッチは、固定利得を達成するために固定スイッチング周波数で切り替えられ得る。さらに、図19および図20の例では、制御回路1938の制御ループは、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器202上で閉じられている。このように、電源の出力は、電力変換器202のPWMを制御することによって調整、調節などを行うことができる。
In some examples, the
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される整流器スイッチは、ダイオードなどの他の適切なスイッチングデバイスで置き換えられてもよい。例えば、図21は、図2のマルチレベルDC-DC降圧電力変換器202と実質的に同様であるが、同期整流器スイッチQ3、Q4の代わりにダイオードD1、D2を含むマルチレベルDC-DC降圧電力変換器2102を示す。そのような例では、ダイオードD1、D2に起因して、変換器の降圧回路に逆電流が流れない可能性がある。
In some embodiments, the rectifier switches disclosed herein may be replaced with other suitable switching devices such as diodes. For example, FIG. 21 shows a multi-level DC-DC step-down power converter substantially similar to the multi-level DC-DC step-down
本明細書で開示される制御回路は、アナログ制御回路、デジタル制御回路、またはハイブリッド制御回路(例えば、デジタル制御ユニットおよびアナログ回路)を含んでもよい。デジタル制御回路は、1つまたは複数のタイプのデジタル制御回路で実施され得る。例えば、デジタル制御回路はそれぞれ、デジタル信号コントローラ(DSC)、DSP、マイクロコントローラユニット(MCU)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向けIC(ASIC)などのデジタルコントローラを含むことができる。したがって、本明細書で開示される制御方法のいずれか1つは、デジタルコントローラによって少なくとも部分的に(および時には完全に)実行され得る。 The control circuitry disclosed herein may include analog control circuitry, digital control circuitry, or hybrid control circuitry (eg, a digital control unit and analog circuitry). A digital control circuit may be implemented with one or more types of digital control circuits. For example, each of the digital control circuits may include a digital controller such as a digital signal controller (DSC), DSP, microcontroller unit (MCU), field programmable gate array (FPGA), application specific IC (ASIC). Accordingly, any one of the control methods disclosed herein may be at least partially (and sometimes fully) performed by a digital controller.
本明細書に開示されるマルチレベルDC-DC降圧電力変換器は、任意の適切な方法で制御することができる。例えば、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器は、電圧モード制御方法、電流モード制御方法などを使用して制御することができる。 The multi-level DC-DC step-down power converters disclosed herein can be controlled in any suitable manner. For example, a multi-level DC-DC step-down power converter can be controlled using voltage mode control methods, current mode control methods, and the like.
さらに、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器は、動作中に実質的に線形のデューティサイクルを有することができる。例えば、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器の出力電圧対入力電圧の関係(例えば、デューティサイクル)は、オン時間が重複するモード、オン時間が重複しないモード、固定周波数の有無にかかわらない連続導通モードなどの異なる動作モード全体にわたって実質的に線形のままであり得る。そのような例では、デューティサイクルは、約50VDCの出力電圧で約10%から約700VDCの出力電圧で90%の線形範囲であり得る。 Additionally, the multi-level DC-DC step-down power converter can have a substantially linear duty cycle during operation. For example, the output voltage to input voltage relationship (e.g., duty cycle) of a multi-level DC-DC step-down power converter can be divided into overlapping on-time modes, non-overlapping on-time modes, and continuous conduction with or without fixed frequency. It can remain substantially linear across different operating modes, such as mode. In such an example, the duty cycle may range linearly from about 10% at an output voltage of about 50VDC to 90% at an output voltage of about 700VDC.
本明細書に開示される教示は、任意の適切なSMPSに適用可能であり得る。例えば、本明細書に開示される電源は、本明細書に開示されるマルチレベルDC-DC降圧電力変換器のうちの1つに高入力電圧を提供するAC-DC PFC電力変換器を含むことができる。PFC電力変換器は、ウィーン構成の三相PFC電力変換器であってもよい。いくつかの例では、本明細書で開示される電源は、過電流保護および/またはシステムの負荷要求の変化に応じて適切な出力(例えば、トリミング可能な出力)を提供するためのハイパースケーリング能力を必要とするシステムで使用され得る。 The teachings disclosed herein may be applicable to any suitable SMPS. For example, the power supply disclosed herein includes an AC-DC PFC power converter that provides a high input voltage to one of the multi-level DC-DC step-down power converters disclosed herein. can be done. The PFC power converter may be a three-phase PFC power converter in a Wien configuration. In some examples, the power supplies disclosed herein include overcurrent protection and/or hyperscaling capabilities to provide appropriate outputs (e.g., trimmable outputs) in response to changes in system load demands. can be used in systems requiring
本明細書に開示される電源のいずれか1つを使用することによって、様々な利点が達成され得る。例えば、インダクタ(例えば、電力変換器202のインダクタL1、L2)は、インターリーブ方式で動作可能であり得る。その結果、従来の電力変換器と比較して、インダクタのサイズを縮小することができ、制御帯域幅を増加させることができる。加えて、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器内の入力コンデンサ(例えば、図2のコンデンサC1、C2)は、コンデンサの専用の充電/放電時間のために平衡電圧を有することができる。さらに、電力変換器は、入力コンデンサが使用される場合に入力電圧の半分の電圧応力を維持しながら、広い出力電圧範囲で動作することができる。 Various advantages may be achieved by using any one of the power sources disclosed herein. For example, inductors (eg, inductors L1, L2 of power converter 202) may be operable in an interleaved manner. As a result, the inductor size can be reduced and the control bandwidth increased compared to conventional power converters. Additionally, input capacitors (eg, capacitors C1, C2 in FIG. 2) in a multi-level DC-DC step-down power converter can have balanced voltages due to dedicated charge/discharge times of the capacitors. Furthermore, the power converter can operate over a wide output voltage range while maintaining half the input voltage voltage stress when an input capacitor is used.
電力変換器はまた、ゼロ負荷まで維持されるCCM動作に起因して改善された制御性能を経験することができる。このように、軽負荷制御帯域幅は、不連続導通モード(DCM)動作を有する従来の変換器と比較して増加させることができる。 The power converter may also experience improved control performance due to CCM operation that is maintained down to zero load. Thus, the light load control bandwidth can be increased compared to conventional converters with discontinuous conduction mode (DCM) operation.
加えて、マルチレベルDC-DC降圧電力変換器は、10%~90%などの広いデューティサイクル範囲にわたって動作可能である。これは、従来のシステムと比較して、降圧電力変換器に連結された他の電力変換器段のホールドアップを増加させることができる。例えば、電源は、99%を超えるような高効率を達成するために、特定の電圧(例えば、400V入力)で動作可能な共振電力変換器を含むことができる。マルチレベルDC-DC降圧電力変換器が高入力DC電圧(例えば、800Vのバルク電圧)を受け取る場合、ために、公称条件下での典型的なデューティサイクルは約50%であって、降圧電力変換器が共振電力変換器に所望の電圧(例えば、400V入力)を提供することを確実にする。負荷需要が変化し、かつ/または降圧電力変換器の入力が変化した場合、デューティサイクルを調整して、共振電力変換器に所望の電圧を供給することができる。これにより、電源が所望の調整を維持することが保証される。 In addition, multi-level DC-DC step-down power converters can operate over a wide duty cycle range, such as 10% to 90%. This can increase the holdup of other power converter stages coupled to the step-down power converter compared to conventional systems. For example, the power supply may include a resonant power converter capable of operating at a specified voltage (eg, 400V input) to achieve high efficiency such as over 99%. If the multi-level DC-DC step-down power converter receives a high input DC voltage (e.g., 800V bulk voltage), then the typical duty cycle under nominal conditions is about 50% for the step-down power conversion. ensure that the converter provides the desired voltage (eg, 400V input) to the resonant power converter. As the load demand changes and/or the input of the step-down power converter changes, the duty cycle can be adjusted to provide the desired voltage to the resonant power converter. This ensures that the power supply maintains the desired regulation.
さらに、本明細書で開示される共振電力変換器は、ZVSおよび/またはゼロ電流スイッチング(ZCS)を達成することができる。例えば、共振電力変換器が固定スイッチング周波数で動作する場合、一次側スイッチはZVSを達成することができ、二次側スイッチはすべての負荷条件でZVSおよびZCSを達成することができる。さらに、共振電力変換器の利得曲線は、変換器の動作が単一共振利得に固定されるように平坦であることができる。結果として、レール間の電流分担は、共振部品公差に敏感ではない。 Additionally, the resonant power converters disclosed herein can achieve ZVS and/or zero current switching (ZCS). For example, if the resonant power converter operates at a fixed switching frequency, the primary side switch can achieve ZVS and the secondary side switch can achieve ZVS and ZCS under all load conditions. Additionally, the gain curve of a resonant power converter can be flat such that the operation of the converter is fixed at a single resonant gain. As a result, the current sharing between rails is not sensitive to resonant component tolerances.
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提供されている。網羅的であること、または本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されず、適用可能な場合には交換可能であり、具体的に図示または説明されていなくても、選択された実施形態で使用することができる。これはまた、多くの方法で変形されてもよい。そのような変形は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、すべてのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。 The foregoing descriptions of the embodiments have been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the disclosure. Individual elements or features of a particular embodiment are generally not limited to that particular embodiment, are interchangeable where applicable, and have been selected even if not specifically shown or described. Embodiments can be used. This may also be varied in many ways. Such variations are not to be considered a departure from the present disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of this disclosure.
Claims (19)
入力と、出力と、該入力と該出力との間に連結された第1の降圧回路と、該入力と該出力との間に連結された第2の降圧回路とを含むマルチレベル降圧電力変換器であって、前記第1の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含み、前記第2の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含む、マルチレベル降圧電力変換器と、
該マルチレベル降圧電力変換器の前記出力に連結された共振電力変換器と、
前記第1の降圧回路および前記第2の降圧回路に連結された制御回路であって、該第1の降圧回路の前記電源スイッチのための第1の制御信号および該第2の降圧回路の前記電源スイッチのための第2の制御信号を生成して、前記マルチレベル降圧電力変換器を制御するように構成された、制御回路と、
を備え、
前記制御回路が、前記第1の制御信号および前記第2の制御信号のスイッチング周波数を調整して、前記第1の降圧回路および前記第2の降圧回路に流れる逆電流の量を制御して、前記マルチレベル降圧電力変換器がその連続導通モードにある間に、前記第1の降圧回路の前記電源スイッチおよび前記第2の降圧回路の前記電源スイッチのゼロ電圧スイッチングを達成するように構成される、スイッチモード電源。 A switched mode power supply for powering a load, comprising:
Multi-level step-down power conversion including an input, an output, a first step-down circuit coupled between the input and the output, and a second step-down circuit coupled between the input and the output a multi-level step-down power converter, wherein the first step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor, and the second step-down circuit includes a power switch, a rectifier, and an inductor;
a resonant power converter coupled to the output of the multi-level step-down power converter;
A control circuit coupled to the first step-down circuit and the second step-down circuit, wherein a first control signal for the power switch of the first step-down circuit and the power switch of the second step-down circuit a control circuit configured to generate a second control signal for a power switch to control the multi-level step-down power converter;
with
The control circuit adjusts the switching frequencies of the first control signal and the second control signal to control the amount of reverse current flowing through the first step-down circuit and the second step-down circuit, configured to achieve zero voltage switching of the power switch of the first buck circuit and the power switch of the second buck circuit while the multi-level buck power converter is in its continuous conduction mode; , a switch-mode power supply.
第1の降圧回路と、第2の降圧回路とを含むマルチレベル降圧電力変換器であって、該第1の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含み、該第2の降圧回路は、電源スイッチ、整流器、およびインダクタを含む、マルチレベル降圧電力変換器と、
該第1の降圧回路および該第2の降圧回路に連結された制御回路であって、該第1の降圧回路の前記電源スイッチのための第1の制御信号および該第2の降圧回路の該電源スイッチのための第2の制御信号を生成して、連続導通モードに該マルチレベル降圧電力変換器を制御して、その結果、逆電流が、該第1の降圧回路および該第2の降圧回路に流れ、かつ該第1の制御信号および該第2の制御信号のスイッチング周波数を調整して、該第1の降圧回路および該第2の降圧回路を流れる逆電流の量を制御して、該マルチレベル降圧電力変換器がその連続導通モードにある間に、該第1の降圧回路の前記電源スイッチおよび該第2の降圧回路の該電源スイッチのゼロ電圧スイッチングを達成するように構成される、制御回路と、
を備える、スイッチモード電源。 A switched mode power supply for powering a load, comprising:
A multi-level step-down power converter including a first step-down circuit and a second step-down circuit, the first step-down circuit including a power switch, a rectifier and an inductor, the second step-down circuit comprising , a power switch, a rectifier, and an inductor;
A control circuit coupled to the first step-down circuit and the second step-down circuit, wherein a first control signal for the power switch of the first step-down circuit and the power switch of the second step-down circuit Generating a second control signal for a power switch to control the multi-level buck power converter in a continuous conduction mode such that reverse current flows through the first buck circuit and the second buck circuit. controlling the amount of reverse current flowing through the circuit and flowing through the first step-down circuit and the second step-down circuit by adjusting the switching frequencies of the first control signal and the second control signal; configured to achieve zero voltage switching of the power switch of the first buck circuit and the power switch of the second buck circuit while the multi-level buck power converter is in its continuous conduction mode; , a control circuit, and
A switch mode power supply.
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